Efficient numerical methods for wave-action transport and scattering

波作用输运和散射的高效数值方法

基本信息

  • 批准号:
    EP/W007436/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 7.88万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2022 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Waves propagating in the atmosphere and ocean need to be represented in the numerical models used for weather and climate prediction in order to capture the strong impact they have on the atmospheric and oceanic circulation, on the state of the sea surface, and on the transport of pollutants. This cannot be achieved directly, however, because the typical wavelengths are much shorter than the grid scales of even the highest resolution numerical models. A reduced mathematical model that averages over the short wavelengths offers a solution but poses a major computational challenge. It describes the distribution of wave-action density in an extended position-wavenumber phase space; hence, it requires solving a partial differential equation in up to 6 space-like dimensions. This is beyond the reach of traditional discretisation methods. This project aims at demonstrating the feasibility of an alternative approach, based on a dynamical low-rank approximation of the wave-action density. This approach expands the wave action as a sum of products of functions of a few variables, constructed on-the-fly to project the dynamics onto the space of low-rank functions while minimising an error. The project will formulate an algorithm based on low-rank approximation and splitting, implement two versions that use different combinations of grid-based and spectral discretisations, and test them against a ray-tracing algorithm (specifically designed to capture the dynamics of a few wavepackets) and against direct numerical simulations of the underlying fluid equations. The formulation and implementation will emphasise parallelisation and efficiency on supercomputers, with testing carried out on ARCHER2. The project primarily targets the modelling of internal waves, with a focus on the representation of their scattering by turbulence and of nonlinear wave-wave interactions. Applications to ocean surface waves will also be considered.
在大气和海洋中传播的波浪需要在用于天气和气候预测的数值模型中得到体现,以便捕捉它们对大气和海洋环流、海面状态以及对水分子输送的强烈影响。污染物。然而,这不能直接实现,因为即使是最高分辨率数值模型的典型波长也比网格尺度短得多。在短波长上求平均值的简化数学模型提供了一种解决方案,但也带来了重大的计算挑战。它描述了扩展位置波数相空间中波作用密度的分布;因此,它需要求解最多 6 个类空间维度的偏微分方程。这是传统离散化方法无法达到的。该项目旨在证明基于波作用密度的动态低阶近似的替代方法的可行性。这种方法将波动作用扩展为几个变量的函数乘积之和,动态构建以将动力学投影到低阶函数的空间上,同时最小化误差。该项目将制定一种基于低秩近似和分裂的算法,实现使用基于网格和光谱离散化的不同组合的两个版本,并针对射线追踪算法(专门设计用于捕获一些波包的动态)对其进行测试)并反对基础流体方程的直接数值模拟。制定和实施将强调超级计算机上的并行性和效率,并在ARCHER2上进行测试。该项目主要针对内波建模,重点是湍流散射和非线性波与波相互作用的表示。还将考虑在海洋表面波中的应用。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Inertia-gravity-wave diffusion by geostrophic turbulence: the impact of flow time dependence
地转湍流引起的惯性重力波扩散:流动时间依赖性的影响
  • DOI:
    http://dx.10.1017/jfm.2023.83
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Cox M
  • 通讯作者:
    Cox M
Computing Lagrangian means
计算拉格朗日均值
  • DOI:
    http://dx.10.48550/arxiv.2208.02682
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Kafiabad H
  • 通讯作者:
    Kafiabad H
Inertia-gravity-wave diffusion by geostrophic turbulence: the impact of flow time dependence
地转湍流引起的惯性重力波扩散:流动时间依赖性的影响
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Cox M
  • 通讯作者:
    Cox M
Computing Lagrangian means
计算拉格朗日均值
  • DOI:
    http://dx.10.1017/jfm.2023.228
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Kafiabad H
  • 通讯作者:
    Kafiabad H
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  • 资助金额:
    $ 7.88万
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